DE102007030481A1

DE102007030481A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Kartierung von Quellen für die lokale Veränderung des Erdmagnetfeldes

Info

Publication number: DE102007030481A1
Application number: DE102007030481A
Authority: DE
Inventors: Volkmar Dr. Schultze; Sven Dr. Linzen
Original assignee: INST PHOTONISCHE TECHNOLOGIEN; Institut fur Photonische Technologien Ev (ipht)
Current assignee: INST PHOTONISCHE TECHNOLOGIEN; Institut fur Photonische Technologien Ev (ipht)
Priority date: 2007-06-28
Filing date: 2007-06-28
Publication date: 2009-02-12
Also published as: WO2009000246A2; DE112008002308B4; EP2162766A2; WO2009000246A3; DE112008002308A5

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kartierung von Quellen für die lokale Veränderung des Erdmagnetfeldes. Die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kartierung von Quellen für die lokale Veränderung des Erdmagnetfeldes anzugeben, die die Nachteile des Standes der Technik vermeidet, insbesondere gegenüber den 2-D-Magnetfeldkartierungen mit SQUID-Systemen die Bestimmung der konkreten Tiefe und Größe der zu detektierenden Objekte ermöglicht, wird dadurch gelöst, dass die Vorrichtung hochempfindliche Sensoren zur Messung des Gradienten des Erdmagnetfeldes, ein Positionsmesssystem zur Bestimmung des Ortes der Sensoren über dem zu kartierenden Messfeld, ein Datenverarbeitungs- und Speichersystem und ein nichtmagnetisches Fortbewegungs- und Trägersystem, welches die Sensoren, das Positionsmesssys haltert, umfasst, wobei mindestens zwei in die gleiche Richtung orientierte und in einem Abstand vertikal übereinander angeordnete Sensoren zur Messung des lokalen Magnetfeldgradienten vorgesehen und die Signale aller Sensoren und des Positionsmesssystems gleichzeitig aufzeichenbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kartierung von Quellen für die lokale Veränderung des Erdmagnetfeldes.
Als Magnetfeldsensoren, die bspw. zur Messung lokaler Veränderungen des Erdmagnetfeldes eingesetzt werden können, sind bisher Magnetometer bzw. Gradiometer bekannt.
DE 195 18 973 A1 offenbart ein Verfahren zum Auffinden ferromagnetischer und/oder anderer metallischer Objekte, insbesondere unterirdischer Objekte, bei welchem Messsignale entlang einer Messspur mittels Metallsuchgerät aufgenommen werden, wobei mindestens zwei in unterschiedlicher Höhe angeordnete Metallsuchsonden die Messsignale zur direkten Tiefenbestimmung des Objektes aufnehmen. Darüber hinaus wird eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens beschrieben, bei welcher die Halterung der Metallsuchsonden doppelt kardanisch ausgeführt ist und die Höhendifferenz zwischen den Metallsuchsonden einstellbar ist.
DE 195 04 841 A1 offenbart eine Anzeigeneinrichtung für ein Magnetometer, mit dem ein im Erdreich befindlicher metallischer Störkörper durch Messung der Störfeldstärke geortet werden kann. An dem Anzeigeninstrument des Magnetometers wird analog die jeweils gemessene Feldstärke dargestellt und in einem digitalen Anzeigenfeld kann weitere Information, wie der jeweilige Empfindlichkeitsbereich oder die rechnerisch ermittelte Objekttiefe dargestellt werden. Eine einfache Tastatur ermöglicht das Anwählen einer Vielzahl unterschiedlicher Empfindlichkeitsstufen und die Eingabe der Messwerte zur Durchführung der Bestimmung der Objekttiefe eines im Erdreich befindlichen Störkörpers.
Der Nachteil dieser beiden technischen Lösungen ist, dass sie keine Gradientenmessungen und keine genaue Bestimmung der Größe sowie der Tiefe zu detektierender Objekte ermöglichen.
2D-Magnetfeldkartierung mit LTS-SQUID-System (Gradiometer) sind u. a. aus der Publikation V. Schultze, A. Chwala, R. Stolz, M. Schulz, S. Linzen, H. -G. Meyer, and T. Schüler; A SQUID system for geomagnetic archaeometry, 6th Int. Conf. an Archaeological Prospection (Archeo2005), 14–17 Sept. 2005, Proc. pp. 245–248 bekannt.
Bei dieser Methode wird ein SQUID-Mess-System in der Art und Weise eingesetzt, dass zwei LTS-SQUID-Magnetometer durch das zu untersuchende Gelände getragen bzw. gefahren werden.
Diese SQUID's ermöglichen dabei eine äußerst präzise 2D-Magnetfeldkartierung in verhältnismäßig kürzerer Zeit als herkömmliche Systeme und sind gleichzeitig robust genug, um im Freiland z. B. für die Beurteilung von Ausgrabungsflächen eingesetzt werden zu können.
Der Nachteil dieser 2D-Magnetfeldkartierung besteht darin, dass die Tiefe der im Untergrund ermittelten Strukturen nicht klar bestimmt werden kann. Man erhält als Merkmale neben ihrer Position lediglich ihre Ausdehnung und Magnetfeldstärke. Dabei kann aber ein unterschiedlich starkes Messsignal bei verschiedenen Strukturen nicht nur von verschiedener Stärke der Magnetfeldquelle hervorgerufen werden, sondern auch durch verschiedene Tiefe. Ebenso kann eine unterschiedliche laterale Ausdehnung der gemessenen Strukturen nicht nur von tatsächlich verschiedener lateraler Ausdehnung der Magnetfeldquelle hervorgerufen werden, sondern ebenfalls auch durch verschiedene Tiefe.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kartierung von Quellen für die lokale Veränderung des Erdmagnetfeldes anzugeben, welche die zuvor stehend genannten Nachteile des Standes der Technik vermeidet, insbesondere gegenüber den 2D-Magnetfeldkartierungen mit SQUID-Systemen die Bestimmung der konkreten Tiefe und Größe der zu detektierenden Objekte ermöglicht.
Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind durch die nachgeordneten Ansprüche erfasst.
Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass eine Vorrichtung zur Kartierung von Quellen für die lokale Veränderung des Erdmagnetfeldes vorgesehen ist, die folgende Komponenten umfassen:

1. hochempfindliche Sensoren (Gradiometer) zur Magnetfeldgradientenmessung, besonders vorteilhaft SQUID, zur Messung eines Gradienten des Erdmagnetfeldes, die es gestatten, bei kleiner Basislänge einen lokalen Gradienten hoch aufgelöst zu messen, (Unter Gradient versteht man dabei den Unterschied des Magnetfeldes an zwei verschiedenen Orten und unter Basislänge versteht man den Abstand der Zentren der beiden Orte, zwischen denen der Unterschied des Magnetfeldes gemessen wird.)
2. im Falle der Verwendung von SQUID's einen Kryostat zur Aufrechterhaltung der tiefen Temperatur (realisiert bspw. durch verflüssigtes Helium oder Stickstoff) für den Betrieb der SQUID's,
3. eine Elektronik zur Erzeugung einer linearen Abhängigkeit des Ausgangssignals der Sensoren vom zu messenden Magnetfeldgradienten,
4. ein Messsystem zur simultanen Bestimmung des Ortes der Gradiometer über dem zu kartierenden Messfeld (Unter Gradiometer versteht man dabei einen Sensor zur Messung des lokalen Gradienten), bestehend aus einem differentiellen GPS-System (dGPS) mit einer GPS-Antenne zur Aufnahme der Position des beweglichen Messwagens mit den verwendeten Sensoren, einer zweiten fest stehenden Referenz-GPS-Antenne und einer Radioübermittlung der Referenzstationsdaten zum bewegten Messwagen, zur Erhöhung der Genauigkeit der lokalen Ortszuweisung von mehreren Meter (einfaches GPS) zu wenigen Zentimetern (dGPS) sowie aus einem Inertialsystem, das die Lage der Messwagens bestimmt. [Lage: ausgedrückt über die drei Winkel pitch, roll und yaw] und es so gestattet, bei beliebiger Lage des Messwagens aus der über das differentielle GPS bestimmten Position der GPS-Antenne die benötigte Position der Gradiometer zu berechnen,
5. ein Aufzeichnungssystem für die während der Messung aufgenommen Daten (lokale magnetische Gradienten, mit dGPS aufgenommener Ort, Winkel des Inertialsystems) und
6. ein nichtmagnetisches, weitestgehend metallfreies Trägersystem für das Ensemble der Sensoren und Datenverarbeitungs- und Speicherungseinheiten (vorzugsweise in Form eines Fortbewegungssystems, bspw. einem Karren auf Rädern, der von einem Zugfahrzeug, z. B. einem Geländewagen, gezogen werden kann, möglicherweise auch einem Schlitten o. ä.).

Erfindungswesentlich dabei ist, dass mindestens zwei Sensoren zur Magnetfeldgradientenmessung (besonders vorteilhaft SQUID-Gradiometer) zur Messung eines lokalen Magnetfeldgradienten vorgesehen sind, die identische Detektionsrichtungen aufweisen und in einem Abstand übereinander angeordnet sind, die Signale aller Sensoren, (insbesondere aber der beiden vertikal übereinander angeordneten Gradiometer) gleichzeitig aufgezeichnet werden und die unterschiedlichen Charakteristika dieser wenigstens zwei übereinander angeordneten Gradiometer zur Bestimmung der Tiefe der Quellen für die gemessenen lokalen Veränderungen des Erdmagnetfeldes verwendet werden, indem folgende Merkmale ausgenutzt werden:

• dass die Größe des gemessenen Magnetfeldgradienten mit der vierten Potenz des Abstandes zwischen dem Sensor und der Quelle abfällt (wohingegen das Magnetfeld selbst nur mit der dritten Potenz schwächer wird, wodurch über die Verwendung von Gradiometern die Tiefendiskriminierung deutlich schärfer als mit Magnetometern möglich ist),
• dass die lokale Ausdehnung des gemessenen Feldes mit dem Abstand zwischen der Quelle und dem Sensor zunimmt,
• dass insbesondere der Unterschied zwischen der Größe der von zwei übereinander angeordneten Gradiometern gemessenen Signale einer Magnetfeldquelle mit zunehmendem Abstand zwischen der Quelle und dem Ensemble aus übereinander angeordneten Sensoren kleiner wird,

2

Im Rahmen der Erfindung liegen folgende Erweiterungsvarianten für die Anordnung mehrerer Gradiometer:

• Zur Realisierung des Grundprinzips der Tiefenbestimmung von lokalen Quellen für Unterschiede im Erdmagnetfeldgradienten ist die Anordnung zweier gleich orientierter Gradiometer übereinander notwendig (im Folgenden auch als Sensorebenen bezeichnet).
• Zur schnellen Erzielung einer kompletten Charakterisierung des auszumessenden Areals werden zumindest in einer Sensorebene, vorzugsweise in der unteren, wo aufgrund des geringeren Abstandes der Sensoren zur Quelle die Signale größer und die lateral Auflösung schärfer ist, zwei Gradiometer verwendet, die in zwei senkrecht aufeinander stehende laterale Richtungen schauen. So ergibt sich stets eine ausreichende Sensitivität gegenüber beliebig lateral orientierten Muster von lokalen Quellen von Magnetfeldgradienten.
• Zur weiteren Verbesserung der Qualität der Erkundung der lateralen und vertikalen Verteilung von Quellen für lokale Unterschiede im Magnetfeldgradienten kann auch die obere Sensorebene mit zwei senkrecht auseinander stehenden Gradiometern ausgerüstet werden.

Anstelle von zwei übereinander angeordneten Sensorebenen können auch drei oder mehr verwendet werden. Ebenso ist es möglich, den vertikalen Abstand zwischen den Sensorebenen zu variieren. Beides kann dazu verwendet werden, die Genauigkeit der Auflösung verschiedener Tiefen von lokalen Quellen von Magnetfeldgradientenunterschieden der am meisten interessierenden mittleren Tiefe dieser Quellen anzupassen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren zeichnen sich gegenüber bisherigen technischen Lösungen durch aus, dass eine 3D-Magnetfeldkartierungen möglich ist, indem die konkrete Tiefe und Größe der zu detektierenden Objekte bestimmbar ist.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnungen und des Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
1: eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung und
2: eine graphische Darstellung der Signalgröße und des Signalverlaufs von zwei Gradiometern, die in einem Abstand von 10 cm übereinander angeordnet sind, beim Überfahren eines darunter befindlichen magnetischen Dipols (Verfahrweg in cm).
Die in 1 gezeigt Vorrichtung umfasst mehrere SQUID-Gradiometer 1, die sich in einem Kryostaten 2 befinden, ein Messsystem 3 zur genauen Bestimmung des Ortes der SQUID-Gradiometer während der Messung, bestehend aus einem differentiellen GPS-System, das von einer mit den SQUID-Gradiometern mitbewegten GPS-Antenne 31 und einer ortsfest aufgestellten zweiten GPS-Antenne 33 sowie den Radioantennen 32 und 34, welche das Signal der ortsfesten GPS-Antenne 33 zu der mit den SQUID-Gradiometern 1 mitbewegten GPS-Antenne 31 überträgt, sowie einem Inertialsystem zur Messung der Lage der SQUID-Gradiometer, besteht, die Datenleitungen 4, über die alle aufgenommenen Daten zur Datenerfassungs- und Speichereinheit 5 übertragen werden, sowie ein nichtmagnetisches, weitestgehend metallfreies Fortbewegungssystem 6, auf dem die mitbewegten Teile des Messsystems fest montiert sind, wobei mindestens zwei Gradiometer 11 in gleiche Richtung orientiert und in einem Abstand übereinander angeordnet sind.
Die Signale aller SQUID-Gradiometer 1 (Sensoren), insbesondere der beiden vertikal übereinander angeordneten SQUID-Gradiometer 11, sind gleichzeitig aufzeichenbar.
Die unterschiedlichen Charakteristika dieser wenigstens zwei übereinander angeordneten SQUID-Gradiometer 11 werden zur Bestimmung der Tiefe der Quellen für die gemessenen lokalen Veränderungen des Erdmagnetfeldes verwendet, wobei zu beachten ist, dass die Größe des gemessenen Magnetfeldgradienten mit der vierten Potenz des Abstandes zwischen dem SQUID-Gradiometer 1 (Sensor) und der Quelle abfallt (wohingegen das Magnetfeld selbst nur mit der dritten Potenz schwächer wird, wodurch über die Verwendung von SQUID-Gradiometern 1 die Tiefendiskriminierung deutlich schärfer als mit Magnetometern möglich ist) und dass die lokale Ausdehnung des gemessenen Feldes mit dem Abstand zwischen der Quelle und dem SQUID-Gradiometer 1 (Sensor) zunimmt, wobei insbesondere der Unterschied zwischen der Größe der von zwei übereinander angeordneten SQUID-Gradiometern 1 gemessenen Signale einer Magnetfeldquelle mit zunehmendem Abstand zwischen der Quelle und dem Ensemble aus übereinander angeordneten SQUID-Gradiometer 1 (Sensoren) kleiner wird.
Die Gesamtheit der Abhängigkeiten der Größe und lokalen Ausdehnung der von den verschiedenen, insbesondere aber den übereinander angeordneten SQUID-Gradiometern 1 aufgenommenen Signalen von der Tiefe der Quellen für die lokalen Unterschiede des gemessenen Erdmagnetfeldes wird dazu verwendet, um deren Tiefe zu bestimmen.
Dabei macht man von den verschiedenen Merkmalen der 2D-Magnetfeldkartierung Gebrauch, die von den übereinander angeordneten Gradiometern aufgenommen werden. So ist der Unterschied in der Signalstärke einzelner Strukturen umso geringer, je tiefer sich die dazugehörige Signalquelle befindet. Ebenso hat die laterale Ausdehnung dieser in verschiedener Höhe gemessenen Strukturen umso weniger Unterschiede, je tiefer sich die dazugehörige Signalquelle befindet.
Alle in der Beschreibung und den nachfolgenden Ansprüchen dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

1: SQUID-Gradiometer (Sensoren zur Magnetfeld-gradientenmessung)
11: SQUID-Gradiometer mit gleicher Orientierung, im Abstand übereinander angeordnet
2: Kryostat
3: Positionsmesssystem
31: mitbewegtes GPS-System
32: mitbewegte Radioantenne zur Aufnahme der Daten vom ortsfesten GPS-System
33: ortsfestes GPS-System
34: ortsfeste Radioantenne zum Senden der Daten vom ortsfesten GPS-System
35: Inertialsystem
4: Datenleitungen
5: Datenverarbeitungs- und Speichersystem
6: Träger- und Fortbewegungssystem

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 19518973 A1 [0003]
- DE 19504841 A1 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- V. Schultze, A. Chwala, R. Stolz, M. Schulz, S. Linzen, H. -G. Meyer, and T. Schüler; A SQUID system for geomagnetic archaeometry, 6th Int. Conf. an Archaeological Prospection (Archeo2005), 14–17 Sept. 2005, Proc. pp. 245–248 [0006]

Claims

Vorrichtung zur Kartierung von Quellen für die lokale Veränderung des Erdmagnetfeldes umfassend • Hochempfindliche Sensoren (1) zur Messung des Gradienten des Erdmagnetfeldes, • ein Positionsmesssystem (3) zur Bestimmung des Ortes der Sensoren (1) über dem zu kartierenden Messfeld, • ein Datenverarbeitungs- und Speichersystem (5), • und ein nichtmagnetisches Fortbewegungs- und Trägersystem (6), welches die Sensoren (1), das Positionsmesssystem (3) und das Datenverarbeitungs- und Speichersystem (5) haltert, dadurch gekennzeichnet, dass • mindestens zwei Sensoren (1) zur Messung des lokalen Magnetfeldgradienten vorgesehen sind, wobei diese Sensoren (1) in die gleiche Richtung orientiert sowie in einem Abstand vertikal übereinander angeordnet sind, und • die Signale aller Sensoren (1) und des Positionsmesssystems (3) gleichzeitig aufzeichenbar sind.
Vorrichtung zur Kartierung von Quellen für die lokale Veränderung des Erdmagnetfeldes gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Positionsmesssystem (3) zur simultanen Bestimmung des Ortes der Sensoren (1) über dem zu kartierenden Messfeld folgende Komponenten umfasst: • ein mitbewegtes GPS-System (31) mit einer mitbewegten Radioantenne (32), • ein ortsfestes GPS-System (33) mit einer ortsfesten Radioantenne (34) und • ein Inertialsystem (35).
Vorrichtung zur Kartierung von Quellen für die lokale Veränderung des Erdmagnetfeldes gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (1) SQUID-Gradiometer (11) mit gleicher Orientierung sind, die von einem Kryostat (2) umgeben sind, wobei vermittels des Datenverarbeitungs- und Speichersystems (5) eine linearen Abhängigkeit des Ausgangssignals der SQUID-Gradiometer (11) vom zu messenden Magnetfeldgradienten erzeugbar ist.
Vorrichtung zur Kartierung von Quellen für die lokale Veränderung des Erdmagnetfeldes gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwei SQUID-Gradiometer (11) senkrecht übereinander stehen.
Vorrichtung zur Kartierung von Quellen für die lokale Veränderung des Erdmagnetfeldes gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fortbewegungs- und Trägersystem (6) fahrbar ist.
Vorrichtung zur Kartierung von Quellen für die lokale Veränderung des Erdmagnetfeldes gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fortbewegungs- und Trägersystem (6) tragbar ist.
Verfahren zur Kartierung von Quellen für die lokale Veränderung des Erdmagnetfeldes unter Verwendung einer Vorrichtung gemäß einem oder mehrerer der voran stehenden Ansprüche bei dem die unterschiedlichen Charakteristika dieser wenigstens zwei übereinander angeordneten Sensoren (1) zur Bestimmung der Tiefe einer Magnetfeldquelle für die gemessenen lokalen Veränderungen des Erdmagnetfeldes verwendet werden, wobei • die Größe des gemessenen Magnetfeldgradienten mit der vierten Potenz des Abstandes zwischen dem Sensor (1) und der Magnetfeldquelle abfällt, • die lokale Ausdehnung des gemessenen Feldes mit dem Abstand zwischen der Magnetfeldquelle und dem Sensor (1) zunimmt, • der Unterschied zwischen der Größe der von zwei übereinander angeordneten Sensoren (1) gemessenen Signale der Magnetfeldquelle mit zunehmendem Abstand zwischen der Magnetfeldquelle und der Vorrichtung mit den übereinander angeordneten Sensoren (1) kleiner wird, • die Gesamtheit der Abhängigkeiten der Größe und lokalen Ausdehnung der von den verschiedenen, insbesondere aber den übereinander angeordneten Sensoren (1) aufgenommenen Signale von der Tiefe der Magnetfeldquelle für die lokalen Unterschiede des gemessenen Erdmagnetfeldes verwendet wird, um deren Tiefe zu bestimmen.